Keď v lete páli slnko, bežná klimatizácia spotrebúva najviac elektriny. Slovenskí vedci tento vzťah obrátili: teplo využívajú ako hlavnú energiu na výrobu chladu.
Ich zariadenie už neexistuje iba vo výpočtoch a laboratóriu. Reálne chladí miestnosť v Bratislave!
Pozn. redakcie: Všetky obrázky v článku sú generované umelou inteligenciou a slúžia iba na ilustráciu textu.
Nedávny rozhovor portálu Živé.sk s profesorom Michalom Masarykom si zaslúži podstatne väčšiu pozornosť, než akú podobné technické témy na Slovensku obyčajne dostávajú. Tím zo Strojníckej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave zostrojil chladiaci systém, ktorý namiesto veľkého elektrického kompresora využíva teplo zo slnečných kolektorov alebo priemyselnej prevádzky.
Výskumníci už zariadenie nainštalovali do experimentálnej fasády pracoviska STU v bratislavskej Trnávke. Systém vyrába studenú vodu pre chladiaci strop a počas prvých skúšok dosiahol projektovaný chladiaci výkon 1,5 kW. Nejde teda o počítačovú simuláciu, maketu na výstavu ani o obligátne slovenské „máme dobrý nápad a hľadáme investora“. Stroj funguje v reálnom objekte a chladí skutočnú miestnosť.
Klimatizáciu budeme potrebovať čoraz viac
Celý výskum prichádza v období, keď klimatizovanie budov prestáva predstavovať iba otázku pohodlia. Medzinárodná energetická agentúra označuje chladenie priestorov za najrýchlejšie rastúci druh spotreby energie v budovách. Pri dnešných politikách má jeho spotreba do roku 2035 rásť takmer o 4 % ročne. Horúčavy pritom nezaťažujú elektrickú sieť rovnomerne. Klimatizácie sa spúšťajú naraz počas najteplejších popoludní, keď sieť už zápasí s vysokým odberom.
Global Cooling Watch 2025 od Programu OSN pre životné prostredie odhaduje, že pri doterajšom vývoji by emisie súvisiace s chladením mohli do roku 2050 vzrásť na približne 7,2 miliardy ton ekvivalentu CO2 ročne. Nejde iba o elektrinu. Časť emisií vzniká pri únikoch chladív s vysokým potenciálom globálneho otepľovania.
Slovenské zariadenie môže oba problémy výrazne obmedziť. Elektrinu používa iba pre menšie čerpadlá, ventily, snímače a elektroniku. Hlavnú energiu dodáva teplo. Ako pracovnú látku používa prírodné uhľovodíkové chladivo s veľmi nízkym vplyvom na klímu.
Nie je to nástenná klimatizácia
Pod slovom klimatizácia si väčšina ľudí predstaví bielu jednotku nad dverami, vonkajší ventilátor na fasáde a kompresor, ktorý sa v horúčave snaží nezačať hovoriť po latinsky. Slovenské riešenie vyzerá inak. Technicky ide skôr o malý centrálny chladič vody, teda chiller. Nevyrába priamo studený vzduch. Vyrába studenú vodu, ktorú môžete viesť do chladiaceho stropu, stenových registrov, fan-coilov, vzduchotechniky alebo do technologického zariadenia vo fabrike.
Experimentálne pracovisko využíva sálavý chladiaci strop. Potrubie v strope dostáva vodu s teplotou približne 18°C alebo o niečo vyššou. Strop potom odoberá teplo z miestnosti bez silného prúdenia vzduchu, hluku a pocitu, že vám niekto osem hodín fúka ľadový vzduch na krčnú chrbticu.
Teplota vody musí zostať nad rosným bodom. Keby ju systém ochladil príliš, na strope by začala kondenzovať vzdušná vlhkosť a miestnosť by získala neplánovanú interiérovú dažďovú sezónu. Regulácia preto sleduje teplotu aj vlhkosť a udržiava bezpečný odstup od kondenzácie.
Ako môže teplo vyrábať chlad?
Každé chladiace zariadenie presúva teplo z chladnejšieho miesta do teplejšieho. Bežná klimatizácia nechá chladivo vypariť vo vnútornej jednotke. Pri vyparovaní chladivo odoberie teplo z miestnosti. Kompresor následne nasaje paru, stlačí ju na vyšší tlak a pošle do vonkajšej jednotky, kde chladivo skondenzuje a odovzdá teplo okoliu.
Kompresor však potrebuje pomerne veľa elektriny. V ejektorovom zariadení jeho úlohu preberá prúd horúcej pary a špeciálne tvarovaná dýza.
Solárne kolektory v bratislavskom prototype ohrievajú vodu približne na 65°C. Táto voda odovzdáva teplo chladivu v generátore pary. Kvapalné chladivo sa zohreje, vyparí a pod vysokým tlakom vstúpi do zbiehavo-rozbiehavej dýzy.
V najužšom mieste dýzy dosiahne prúd rýchlosť zvuku. V rozširujúcej sa časti ďalej zrýchľuje na nadzvukovú rýchlosť. So zvyšujúcou sa rýchlosťou klesá statický tlak a v sacej komore vznikne podtlak. Ten nasáva ďalšiu paru chladiva z výparníka.
Vo výparníku chladivo vrie pri nízkej teplote a odoberá energiu z vodného okruhu chladiaceho stropu. Primárny prúd z dýzy a nasatý sekundárny prúd sa zmiešajú. Difúzor následne zníži ich rýchlosť a zvýši tlak natoľko, aby mohlo chladivo v kondenzátore skvapalnieť.
Po skondenzovaní sa časť kvapaliny cez expanzný prvok vráti do výparníka. Ďalšia časť putuje cez malé čerpadlo späť do generátora, kde ju znova zohreje solárna alebo odpadová energia. Cyklus sa neustále opakuje.
Ejektor nemá piesty, rotor, elektromotor ani mechanicky poháňané lopatky. To znižuje počet súčiastok, ktoré sa môžu opotrebovať. Celá inštalácia však úplne bez pohyblivých častí nie je. Obehové čerpadlá musia presúvať vodu a kvapalné chladivo. Aj riadenie, ventily a snímače potrebujú elektrinu.
Tri bežné kolektory a teplota iba 65°C
Staršie výskumné práce tímu počítali najmä s koncentračnými Fresnelovými kolektormi a s vodou ako chladivom. STU tento koncept podrobnejšie opísala už v roku 2020. Fresnelove zrkadlá môžu dosahovať teploty okolo 230°C, vyžadujú natáčanie podľa polohy slnka a zložitejšiu konštrukciu.
Aktuálny prototyp využíva tri štandardné ploché nevákuové kolektory od slovenského výrobcu Thermosolar. Podobné zariadenia nájdete na strechách rodinných domov, kde ohrievajú úžitkovú vodu. Výskumníci teda nepotrebovali drahú solárnu vežu ani zrkadlovú elektráreň pripomínajúcu kulisy zo sci-fi filmu.
V práci publikovanej eštre v roku 2025 autori opisujú systém s projektovaným chladiacim výkonom 1,5 kW, tromi plochými kolektormi a očakávaným tepelným pomerom výkonu EER 0,42. Stroj používa chladivo R600, teda normálny bután. Teplota hnacej vody okolo 65°C je pritom veľmi dôležitá. Takéto teplo nemusí pochádzať iba zo slnka. Dosahujú ho aj vodné chladiace okruhy, kogeneračné jednotky, kompresory, výrobné linky, lisovne, pece či niektoré dátové centrá. Veľká časť tohto tepla dnes počas leta končí bez ďalšieho úžitku vo vzduchu.
Výkon 1,5 kW dnes, desiatky kilowattov neskôr
Experimentálny stroj poskytuje 1,5 kW chladiaceho výkonu. Takýto výkon môže pomáhať jednej menšej miestnosti, no nestačí na kompletné vychladenie bežného rodinného domu počas horúceho dňa. Výskumníci ho od začiatku navrhli ako demonštračnú jednotku, na ktorej môžu merať prietoky, teploty, tlaky a správanie dýzy.
Profesor Masaryk v rozhovore pre Živé.sk tvrdí, že rovnaký princíp umožňuje postaviť zariadenie s výkonom 10 alebo aj 30 kW. Pri väčších priemyselných systémoch môže výkon stúpať ešte vyššie. Zväčšenie však neznamená iba nafúknutie všetkých rozmerov na kopírke. Inžinieri musia znovu vypočítať dýzu, prietok chladiva, výmenníky, kondenzačnú časť aj zdroj tepla.
Samotný prototyp má približne trojuholníkový tvar, aby zapadol do experimentálneho fasádneho dielca. Odvesny trojuholníka merajú približne 80 a 90 centimetrov, dĺžka zariadenia dosahuje okolo 130 centimetrov a hmotnosť sa pohybuje medzi 60 až 80 kilogramami. Dvaja ľudia ho teda dokážu preniesť bez žeriavu. Vzdialenosť medzi strojom a chladenou miestnosťou dosahuje približne 10 až 20 metrov.
Takmer nulová spotreba elektriny
Autori v práci z roku 2025 navrhli prototyp na chladiaci výkon 1,5 kW a vypočítali preň očakávaný tepelný EER 0,42. Aktuálny rozhovor na Živé.sk zatiaľ nepotvrdzuje, že túto účinnosť namerali aj počas prevádzky celého systému. Pri zjednodušenom pohľade to znamená, že na 1,5 kW chladiaceho výkonu potrebuje cyklus približne 3,6 kW tepelného príkonu.
Na papieri to vyzerá horšie než moderná kompresorová klimatizácia, ktorá môže z jednej kilowatthodiny elektriny vyrobiť tri až do 5 kilowatthodín chladu. Takéto porovnanie však mieša dve rozdielne formy energie. Bežná klimatizácia spotrebúva drahú elektrinu. Ejektorový stroj môže využívať slnečné teplo alebo odpadové teplo, ktoré by prevádzka aj tak vypustila do okolia.
Elektrický príkon slovenského zariadenia tvoria najmä obehové čerpadlá a elektronika. Podľa profesora Masaryka ide rádovo o desiatky wattov. Preto môžu prevádzkové náklady zostať veľmi nízke, pokiaľ má majiteľ bezplatný alebo veľmi lacný zdroj tepla. Celkom zadarmo to teda nebude.
Najdôležitejšou súčiastkou je dýza
Kľúčom k fungovaniu zariadenia nie je veľký výmenník ani solárny panel, ale presný vnútorný tvar malej nadzvukovej dýzy. Tím navrhol osovo súmernú dýzu s minimálnou dĺžkou pomocou metódy charakteristík. Vedci následne vytlačili dýzu spolu s ejektorom z kovu ako jeden integrovaný diel. Tým odstránili nepresnosti spojov a dokázali vytvoriť vnútorný profil, ktorý by sa na bežnom sústruhu vyrábal podstatne ťažšie.
Každá dýza však dobre pracuje iba v určitom rozsahu tlakov, teplôt a prietokov. Keď sa prevádzkové podmienky výrazne zmenia (ak sa napríklad výrazne zmení počasie), pevná geometria stráca účinnosť a ejektor nemusí vytvoriť dostatočný podtlak. To predstavuje jednu z najväčších nevýhod systému.
Pri komerčnej výrobe by preto prípadný výrobca potreboval viac veľkostí dýz, vymeniteľné vložky alebo ejektor s premenlivou geometriou. Klimatizácia v budove totiž nepracuje celý rok v jednom presnom bode. Vonkajšia teplota, intenzita slnka, teplota kondenzačného okruhu aj požadovaný výkon sa neustále menia.
Umelá inteligencia chlad nevyrába
Systém využíva aj umelú inteligenciu. Výskumníci pomocou vlastného systému zaznamenávajú teploty, tlaky, prietoky, elektrické príkony a chladiace výkony. Dáta ukladajú do cloudu a dokážu ich vyhľadávať pomocou prirodzeného jazyka. Namiesto manuálneho nastavovania filtrov môžu systému zadať, aby vybral určitý interval teplôt výparníka alebo porovnal výkon počas konkrétnych hodín.
Takýto nástroj pomáha najmä počas vývoja, keď tím potrebuje spracovať veľké množstvo meraní a hľadať súvislosti medzi počasím, teplotou kolektorov a výkonom ejektora. V budúcej prevádzke môže riadenie predpovedať slnečné podmienky, vopred zohriať tepelný zásobník alebo zvoliť okamih, keď sa viac oplatí ukladať chlad.
Kde môže takýto stroj dávať najväčší zmysel?
Prvou oblasťou nie sú rodinné domy, ale priemysel. Výrobné podniky často vypúšťajú odpadové teplo s teplotou 65 až 80°C z kompresorov, pecí, lisov, kogeneračných jednotiek alebo technologických procesov. V zime ho môžu využiť na vykurovanie. V lete preň ale často nemajú odber.
Ejektorový stroj môže z tohto tepla vyrábať chlad pre výrobnú halu, sklad, technologickú linku alebo serverovňu. Čím stabilnejší zdroj tepla podnik má, tým jednoduchšie sa systém navrhuje a tým menej závisí od počasia.
Druhú oblasť predstavujú administratívne a bytové budovy. Solárne kolektory môžu na jar a na jeseň ohrievať úžitkovú vodu alebo podporovať vykurovanie. Počas leta, keď dom teplo nepotrebuje, ho môžu posielať do chladiaceho stroja. Jeden solárny systém by tak pracoval počas väčšej časti roka namiesto toho, aby sa v júli prehrieval na streche bez úžitku.
Pre samostatný byt by dnes spravidla nedával ekonomický ani priestorový zmysel. Majiteľ by potreboval prístup na strechu, centrálny vodný okruh, technickú miestnosť, kondenzačnú časť a vhodný systém distribúcie chladu. V bytovom dome, hoteli, nemocnici alebo väčšej novostavbe však môže centrálne riešenie obsluhovať desiatky miestností.
Zaujímavú možnosť ponúkajú dátové centrá
Dátové centrá neustále vyrábajú teplo a zároveň spotrebúvajú veľa elektriny na chladenie. Pri vzduchom chladených serveroch dosahuje odpadové teplo často nízku teplotu, ktorá ejektoru nemusí stačiť. Pri priamom kvapalinovom chladení sa však teplota vody môže priblížiť k práve požadovaným 65°C.
V ideálnom prípade by ejektor odobral teplo zo serverov, použil ho ako pohon chladiaceho cyklu a vyrobený chlad by sa vrátil späť do dátového centra. Systém by nevytvoril perpetuum mobile, pretože stále musí odvádzať výsledné teplo do okolia. Dokázal by však znížiť množstvo elektriny, ktoré spotrebujú kompresorové chladiče.
Chlad sa navyše dá ukladať do zásobníkov vody alebo ľadu. Prevádzka môže vyrábať zásobu chladu v čase vhodných podmienok a použiť ju počas elektrickej špičky. Tím profesora Masaryka sa akumulácii chladu venuje už dlhšie a vyvíjal aj koncept takzvanej ľadovej batérie.
Koľko by slovenská klimatizácia stála?
Profesor Masaryk uvádza orientačný príklad 30-kilowattového zariadenia. Bežný kompresorový chladič s podobným výkonom môže podľa neho stáť približne 10- až 12-tisíc eur. Ejektorové zariadenie by v začiatkoch mohlo stáť dvojnásobok až dvaapolnásobok, teda podstatne viac.
Vyššiu nákupnú cenu by však mohla vykompenzovať veľmi lacná prevádzka. Masaryk odhaduje návratnosť na dva až tri roky, pokiaľ má zákazník vhodný a bezplatný zdroj tepla. Tento odhad zatiaľ netreba chápať ako cenník. Tím nemá sériovú výrobu, dodávateľský reťazec ani dlhodobé dáta z priemyslu. Nie je tiež jasné, či by výsledná suma zahŕňala solárne kolektory, zásobník, rozvody, chladiaci strop a kondenzačný okruh.
Samotný ejektorový stroj nemusí byť výrobným strašiakom. Väčšinu systému tvoria štandardné výmenníky, potrubia, ventily a čerpadlá. Najnáročnejší prvok predstavuje výpočet a presná výroba dýzy. Pri sériovej produkcii môže cena klesnúť, no prvé kusy budú nevyhnutne drahšie.
Najväčšou prekážkou už nie je otázka, či zariadenie dokáže vyrábať chlad. Prvé reálne skúšky potvrdili projektovaný výkon. Teraz treba zistiť, ako sa bude správať celé leto pri premenlivom slnku, vysokej kondenzačnej teplote, čiastočnom výkone a opakovaných štartoch.
Počas tohto leta chce tím zbierať prevádzkové dáta a zladiť solárne kolektory, chladiaci stroj a distribúciu chladu. Výskumníci zároveň rokujú s dvoma priemyselnými podnikmi, v ktorých by mohli nasadiť najmenej dve ďalšie zariadenia.
Ak zariadenia uspejú, tím zvažuje komerčnú výrobu alebo vznik startupu. Reálny predaj domácnostiam preto nemožno čakať budúci rok. Pri hladkom vývoji však nie je nereálne, aby sa technológia v horizonte niekoľkých rokov objavila v priemyselných podnikoch, nových administratívnych budovách, hoteloch alebo bytových projektoch.
Slovensko má byť na čo hrdé, aj bez rozprávok
Slovenský tím nevynašiel chlad, ejektor ani solárny kolektor. Vytvoril však funkčný kompaktný systém, ktorý spája nadzvukové prúdenie, prírodné chladivo, solárne teplo, fasádu budovy, vodné stropné chladenie a digitálne riadenie.
To je podstatne viac než pekná prezentácia s farebnými šípkami a logom grantovej agentúry. Zariadenie dosiahlo projektovaný výkon a teraz smeruje do fázy, v ktorej sa ukáže jeho technická spoľahlivosť aj ekonomický zmysel.
Najväčšiu šancu nemá ako náhrada každej domácej klimatizácie. Uplatnenie môže nájsť tam, kde sa stretávajú dve veci: niekto potrebuje veľa chladu a zároveň má k dispozícii lacné teplo. Fabriky, dátové centrá, kogeneračné prevádzky, veľké budovy či bytové domy túto podmienku dokážu splniť.
O niekoľko rokov sa teda pokojne môže stať, že zdroj chladu vo vašej budove nebude poháňať mohutný elektrický kompresor. Bude ho poháňať slnko na streche alebo teplo, ktoré továreň ešte včera bez úžitku vypúšťala do vzduchu. A na štítku zariadenia môže byť napísané, že ho vyvinuli na Slovensku.
Najväčšiu hodnotu preto nemá samotná veta „z tepla vyrábame chlad“. Fyzika to umožňovala dávno pred narodením kohokoľvek z dnešného vývojového tímu. Hodnotu má spôsob, akým Slováci systém vypočítali, zmenšili, vyrobili, prepojili s budovou a dostali do funkčnej prevádzky.
